Les mélanges GtL/EMHC/éthanol ont un potentiel important comme carburant alternatif pour moteur Diesel.Néanmoins, l’utilisation de ce type de biocarburant en moteur Diesel nécessite une connaissance précise de la cinétiqued’oxydation de ses différents constituants.Une étude bibliographique approfondie a permis de sélectionner quatre espèces modèles représentatives des mélangesGtL/EMHC/éthanol : le n-décane, l’iso-octane, l’octanoate de méthyle et l’éthanol. L’oxydation de mélanges de cesespèces modèles a ensuite été étudiée en réacteur auto-agité à haute pression (10 atm), pour trois richesses (0,5 ; 1 et 2) etsur un large domaine de température (550-1150 K). L’analyse des échantillons par chromatographie en phase gazeuse apermis de quantifier les principaux produits issus de l’oxydation des mélanges étudiés. Un mécanisme cinétique détaillécapable de reproduire l’oxydation des mélanges n-décane/iso-octane/octanoate de méthyle/éthanol a ensuite été mis aupoint. Les prédictions du modèle reproduisent de manière satisfaisante les résultats expérimentaux sur toute la gamme derichesse et de température testée en réacteur auto-agité. L’analyse du modèle a également permis de déterminer les voiesréactionnelles prépondérantes en fonction de la composition des mélanges.Enfin, la combustion de mélanges GtL/EMAG/éthanol a été étudiée en moteur monocylindre Diesel. Cette phased’essais, incluant une analyse approfondie des émissions non réglementées, a permis d’observer l’influence de laformulation des carburants sur l’initiation de la combustion et sur la composition des gaz d’échappements. / As concern about global warming and dependences on fossil fuel grows, there is an increasing interest to shift fromtraditional fuel to renewable energy sources. Blends of Fischer-Tropsch (F-T) fuels, biodiesel and ethanol seem to be apromising fuel for compression ignition (CI) engine application. The aim of this work is to study and model the impact ofthese fuels on combustion and pollutant emissions.In the present study, mixtures of 4 species are proposed to represent the oxidation of F-T/biodiesel/ethanol blends: ndecane,iso-octane, methyl octanoate and ethanol. The kinetic of oxidation of n-decane/iso-octane/methyloctanoate/ethanol blends was studied experimentally in a jet stirred reactor at 10 atm and a constant residence time of 1 s,over the temperature range of 560-1160 K and for three equivalence ratio (0.5, 1 and 2). A kinetic reaction mechanismwas developed and used to simulate the oxidation of n-decane/iso-octane/methyl octanoate/ethanol mixtures. Theproposed kinetic reaction mechanism yields a good representation of the kinetic of oxidation of the tested biofuel blends.The kinetic analyses allowed identifying the most influencing reactions for the oxidation rate of the fuels.Finally, four F-T/biodiesel/ethanol blends have been tested on a single cylinder, direct injection, four-stroke Dieselengine. This study, including an analysis of unregulated emissions allowed observing the influence of fuel formulationon combustion and on pollutant emissions. These main engine results tendencies have been compared to the results of thekinetic model.

Le dioxyde de chlore se positionne actuellement comme une alternative au chlore pour la désinfection de l'eau potable. Bien que son pouvoir biocide soit aujourd'hui bien connu, il existe peu de données bibliographiques sur ses effets sur les matériaux organiques dans les réseaux d'eau intérieurs. L'utilisation du PA66 pour des clapets anti-retour est récente : son comportement à long terme est donc méconnu. L'objectif de cette étude était de progresser dans la compréhension des mécanismes d'interaction entre le dioxyde de chlore et une matrice PA66 stabilisée par un mélange de deux antioxydants et chargée de fibres de verre, mais aussi de proposer une méthode « multi-échelle » de prédiction de la durée de vie de ce matériau composite en service. Tout d'abord, une meilleure description des réactions chimiques se produisant au sein du matériau (oxydation, hydrolyse, protection du polymère par les antioxydants, attaque chimique du polymère et des antioxydants par le désinfectant) a permis d'élaborer un schéma mécanistique général de dégradation. Des équations cinétiques ont été dérivées de ce schéma mécanistique pour prédire l'évolution des modifications chimiques, en considérant une répartition hétérogène des antioxydants dans la matrice PA66 et en prenant en compte la plupart des conditions d'exposition (température de l'eau, concentration en réactifs chimiques, temps). Ensuite, le matériau vieilli a été testé en conditions d'usage grâce à des essais de pression hydrostatique pour identifier son régime de rupture. / Nowadays, chlorine dioxide is an alternative of chlorine for the disinfection of drinking water. Although its biocide ability is well known, scientific literature lacks of knowledge about its effects on organic materials in domestic water networks. The use of PA 66 for valves is quite recent: its long term behaviour is thus unknown. The aim of this study was to improve the knowledge of the interaction mechanisms between chlorine dioxide and a PA 66 matrix stabilized by blend of two antioxidants and reinforced by glass fibres, but also to propose a multi-scale method for the lifetime prediction of this composite material in service. First of all, a better description of the chemical reactions occurring within the material (oxidation, hydrolysis, polymer protection by antioxidants, chemical attack of polymer and antioxidants by disinfectant) has allowed elaborating a general degradation mechanistic scheme. Kinetic equations were derived from this mechanistic scheme for predicting the chemical changes, considering a heterogeneous distribution of antioxidants within the PA 66 matrix and taking into account most exposure conditions (water temperature, concentration in chemical reactants, time). Then, the aged material was tested in use conditions thanks to hydrostatic pressure experiments in order to identify its failure regime.

Le méthanethiol est un intermédiaire clé dans la synthèse de la méthionine, un acide aminé largement utilisé dans l'industrie agro-alimentaire. / Methanethiol is a key intermediate in methionine synthesis, an amino-acid which is widely used in food-processing industry.

L'imagerie simultanée IRM-TEP ouvre de nouvelles perspectives pour l'exploration in vivo des fonctions cérébrales. Pour une quantification du signal de tomographie par émission de positons, il est indispensable de corriger l'atténuation tissulaire des photons. En l'absence de mesure tomodensitométrique en IRM-TEP, les cartes de radiodensité ne sont pas disponibles. Il est nécessaire de trouver une méthode fiable et exacte pour générer une carte d'atténuation du sujet à partir des données disponibles TEP ou IRM. Nous avons développé une technique qui génère une carte d'atténuation propre à un sujet par une approche multi-atlas (MaxProb). Cette approche utilise uniquement l'image IRM T1 du sujet, couramment acquise dans les protocoles cliniques et de recherche, ainsi qu'une base de données d'atlas.L'évaluation de MaxProb montre de très bonnes performances, le biais de quantification de l'image TEP étant réduit à moins de 2%. Cette évaluation pratiquée sur une acquisition dynamique TEP a en outre montré qu'une carte d'atténuation imparfaite , combinée à une distribution spatiale inhomogène du traceur au cours du temps, peut produire un biais non-constant des cinétiques TEP. Cela impacte les paramètres biologiques estimés par modélisation sur les cinétiques TEP. La méthode MaxProb n'est cependant pas affectée par ce phénomène. MaxProb fournit une quantification fiable des paramètres physiologiques estimés par modélisation même lorsque le cervelet est utilisé comme région de référence. Notre évaluation a aussi porté sur la reproduction par simulation d'une étude réaliste d'imagerie TEP d'une décharge dynamique d'un neurotransmetteur. Par rapport à la méthode de correction d'atténuation standard (UTE), MaxProb améliore la sensibilité de détection des variations physiologiques, même faibles. Ceci ouvre la voie à de nouveaux protocoles d'imagerie dynamique et simultanée en IRM-TEP, augmentant la puissance de détection, et réduisant les nombres de sujets nécessaires à la mise en évidence d'un phénomène neurophysiologique ou d'un dysfonctionnement physiopathologique / Simultaneous PET-MR imaging brings new perspectives for understanding many aspects of brain function. To achieve PET-MR’s full potential, accurate brain attenuation correction (AC) is required for absolute PET quantification. In PET-MR scanners, radiodensity maps are not directly available unlike in PET/CT, and the attenuation map has to be derived from the MR data (MRAC methods). In this thesis, I have developed a multi-atlas procedure that produces a subject-specific µ-map for brain imaging (MaxProb) via multiple registrations of CT-MR atlas pairs to an MR target. The solution proposed only requires a T1-weighted MRI of the subject, commonly acquired in clinical and research protocols, and a CT-MR atlas database. The MaxProb method permits generating pseudo-CT images for brain MRAC with high accuracy. Results obtained show very good performance of the method and a bias in reconstructed PET of less than 2%. I have also demonstrated for the first time that an inaccurate attenuation correction map, combined with inhomogeneous spatial tracer distribution as is regularly encountered in dynamic brain PET, can lead to a non-constant bias of the activity measure across time, and this can distort kinetic parameter estimation. MaxProb AC is not affected by this phenomenon. Accurate quantification is also achieved with MaxProb on physiological parameters estimated from kinetic modelling, even when cerebellum (surrounded by bone) is used as reference region: In a simulation study, I have shown that compared to a standard approach (UTE), MaxProb multi-atlas MRAC enhances sensitivity to detect physiological variations in binding parameters, opening the way for new dynamic PET studies on simultaneous PET-MR systems

La valorisation de la biomasse lignocellulosique en molécules plateforme pour l'industrie chimique rend nécessaire l'adaptation des méthodes de raffinage à la transformation de composés organiques oxygénés. La déshydratation des alcools connaît dans ce contexte un fort regain d'intérêt. Les travaux de cette thèse s'attachent à comprendre à l'échelle moléculaire la réactivité d'un alcool modèle (isopropanol) sur catalyseurs aluminiques, au travers d'une étude mettant en jeu expériences et modélisation aux échelles moléculaire (DFT) et du réacteur (modélisation cinétique). En combinant expériences de spectroscopie infrarouge, mesures cinétiques et modélisation moléculaire appliquée à l'adsorption et aux chemins réactionnels de l'isopropanol sur l'alumine gamma, il est montré que la réactivité de cet alcool est principalement gouvernée par la facette (100) de l'alumine. Les formations compétitives de propène, majoritaire, et de diisopropyléther, minoritaire, impliquent un même intermédiaire alcoolate, adsorbé sur un atome d'aluminium acide de Lewis, qui évolue soit par élimination directe d'une molécule d'eau (mécanisme E2), soit par condensation avec une seconde molécule d'alcool adsorbée à proximité (mécanisme SN2). Un modèle microcinétique fondé sur ce site unique de réaction, incluant de surcroît la décomposition de l'éther en isopropanol et en propène, permet de reproduire les résultats expérimentaux à condition de prendre en compte l'effet de molécules d'eau et d'alcool co-adsorbées dans l'environnement du site actif, la formation de dimères eau - intermédiaire et la stabilisation de la seconde molécule d'alcool contribuant à l'ajustement du rapport éther/propène. / The upgrading of lignocellulosic biomass into strategic molecules for the chemical industry requires the adaptation of refining procedures to the transformation of oxygenated species. In this context, the dehydration of alcohols has seen renewed interest over the last decade. The work presented here aims at unravelling the reactivity of a model alcohol (isopropanol) over aluminic catalysts at the molecular scale. To this purpose, a study combining experiments and modelling at the molecular scale (DFT) and at the reactor scale (kinetic modelling) has been set up. By combining infrared spectroscopic experiments, kinetic measurements and molecular modelling of the adsorption and reaction pathways of isopropanol on gamma alumina, it is shown that this reactivity is mainly governed by the (100) facets of alumina. The competing formation of propene (major product) and diisopropylether (minor product) involves a common alcoolate intermediate adsorbed on a Lewis acidic aluminium atom, either by direct elimination of a water molecule (E2 mechanism) or by condensation with a second alcohol molecule adsorbed in vicinity (SN2 mechanism).A micro-kinetic model involving this single reaction site and including the transformation of the ether into isopropanol and propene allows reproducing the experimental results, provided that the effect of co-adsorbed water and alcohol molecules in the environment of the active site is taken into account, as the formation of water – intermediate dimers and the stabilization of the second alcohol molecule both contribute to an adjustment of the ether/propene ratio.

L'objectif de ce travail de thèse est le développement d'un modèle numérique prédictif pour la simulation des phénomènes de postoxydation dans la ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne. Le modèle a été écrit pour reproduire le processus d'auto inflammation des hydrocarbures durant la postoxydation, mais également l'évolution des polluants et des produits de combustion en général. Ceci a nécessité de mettre au point un schéma cinétique détaillé qui tienne compte de la chimie à basse température des hydrocarbures et de l'influence sur cette chimie des différentes espèces majeures présentes dans les gaz brûlés à postoxyder. Ces espèces sont le CO2, le H2O et le N2, qui agissent comme diluants, mais également des polluants tels que le CO ou les NOx. Ces derniers, même en faibles concentrations, peuvent avoir un effet important sur l’oxydation des hydrocarbures qui doit aussi être prise en compte dans le modèle chimique.Afin de considérer, en plus de la chimie, et les phénomènes physiques de la postoxydation, tels que la turbulence et les effets de mélange, ce schéma cinétique a été couplé à un modèle de combustion turbulente adapté à l'utilisation dans un code CFD 3D moteur. Ce couplage a été effectué via une tabulation a priori de la chimie, méthode qui permet de réduire considérablement le temps de calcul, tout en décrivant l'ensemble des phénomènes liés à la chimie détaillée. Une technique de tabulation de la cinétique chimique a donc été développée et implantée dans un code CFD. Une configuration permettant de représenter les phénomènes caractéristiques de la postoxydation dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne a été simulée. Les résultats permettent de mieux appréhender ces phénomènes et de proposer des solutions technologiques visant à leur optimisation / The aim of this PhD thesis is the development of a predictive numerical model capable of simulating hydrocarbon postoxidation in an IC engine exhaust line. The model should reproduce the auto-ignition of hydrocarbons, as well as the evolution of pollutants and combustion products under postoxidation conditions. For this purpose, a detailed kinetic reaction model was developed. It should be valid at low temperatures and under highly diluted conditions. The model should also take into account the effects of the major components of engine exhaust gas on hydrocarbon postoxidation. These are CO2, H2O, and N2, acting as diluting species, but also CO and NOx, which even in small amounts, may strongly impact hydrocarbon oxidation kinetics. These species must hence be considered for postoxidation modelling.In order to gather chemical and physical effects such as turbulence and mixing, the chemical kinetic mechanism was coupled with a turbulent combustion model designed for CFD 3D engine computations. An a priori tabulation methodology was developed, minimizing computational effort and the developed tabulation technique was validated under postoxidation conditions in an IC-engine exhaust line. The coupled chemical kinetics tabulation and turbulent mixing model was implemented in the CFD code IFP-C3D. Simulations were performed on a configuration representative of the physical phenomena characteristic of hydrocarbon postoxidation in exhaust lines. Results improved the understanding of postoxidation phenomena in an IC-engine exhaust line and propose technical solutions for an enhanced postoxidation control

De nombreux travailleurs sont exposés aux hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Le benzo(a)pyrène (BaP) fait partie de ce groupe de polluants. Cette substance a été classée cancérogène reconnu chez l’humain. Pour évaluer l'exposition aux HAP cancérogènes, plusieurs chercheurs ont proposé d’utiliser la mesure du 3-hydroxybenzo(a)pyrène (3-OHBaP) dans l’urine des travailleurs exposés. Dans le cadre du présent projet, deux approches de modélisation ont été développées et appliquées pour permettre une meilleure compréhension de la toxicocinétique du BaP et son biomarqueur d’intérêt actuel, le 3-OHBaP, et pour aider à interpréter les résultats de surveillance biologique. Un modèle toxicocinétique à plusieurs compartiments a été développé sur la base des données préalablement obtenues sur le rat par notre groupe. Selon le modèle, le BaP injecté par voie intraveineuse est rapidement distribué du sang vers les tissus (t½ ≈ 4 h), avec une affinité particulière pour les poumons et les composantes lipidiques des tissus. Le BaP est ensuite distribué vers la peau et le foie. Au foie, le BaP est promptement métabolisé et le 3-OHBaP est formé avec une demi-vie de ≈ 3 h. Le métabolisme pulmonaire du BaP a également été pris en compte, mais sa contribution à la cinétique globale du BaP a été jugée négligeable. Une fois formé, le 3-OHBaP est distribué vers les différents organes presque aussi rapidement que la molécule mère (t½ ≈ 2 h). Le profil temporel du 3-OHBaP dans le rein montre une accumulation transitoire en raison de la différence observée entre le taux d’entrée (t½ = 28 min) et le taux de sortie (t½ = 4,5 h). La clairance totale de 3-OHBaP du corps est principalement gouvernée par le taux de transfert de la bile vers le tractus gastro-intestinal (t½ ≈ 4 h). Le modèle toxicocinétique à plusieurs compartiments a réussi à simuler un ensemble indépendant de profils urinaires publiés sur le 3-OHBaP. Ce modèle toxicocinétique à compartiments s'est avéré utile pour la determination des facteurs biologiques déterminants de la cinétique du BaP et du 3-OHBaP. Par la suite, un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PCBP) reproduisant le devenir du BaP et du 3-OHBaP chez le rat a été construit. Les organes (ou tissus) représentés comme des compartiments ont été choisis en fonction de données expérimentales obtenues in vivo chez le rat. Les coefficients de partition, les coefficients de perméabilité, les taux de métabolisation, les paramètres d'excrétion, les fractions absorbées et les taux d'absorption pour différentes voies d’exposition ont été obtenus directement à partir des profils sanguins, tissulaires, urinaires et fécaux du BaP et du 3-OHBaP. Les valeurs de ces derniers paramètres ont été calculées par des procédures Monte-Carlo. Des analyses de sensibilité ont ensuite été réalisées pour s’assurer de la stabilité du modèle et pour établir les paramètres les plus sensibles de la cinétique globale. Cette modélisation a permis d’identifier les facteurs déterminants de la cinétique: 1) la sensibilité élevée des paramètres de la métabolisation hépatique du BaP et du 3-OHBaP ainsi que du taux d'élimination; 2) la forte distribution du BaP dans les poumons par rapport à d'autres tissus; 3) la distribution considérable du BaP dans les tissus adipeux et le foie; 4) la forte distribution du 3-OHBaP dans les reins; 5) le transfert limité du BaP par la diffusion tissulaire dans les poumons; 6) le transfert limité du 3-OHBaP par la diffusion tissulaire dans les poumons, les tissus adipeux et les reins; 7) la recirculation entéro-hépatique significative du 3-OHBaP. Suite à des analyses de qualité des ajustements des équations du modèle aux données observées, les probabilités que les simulations reproduisent les données expérimentales par pur hasard se sont avérées toujours inférieures à 10% pour les quatre voies d’exposition : intraveineuse, orale, cutanée et respiratoire. Nous avons extrapolé les modèles cinétiques du rat à l’humain afin de se doter d’un outil permettant de reconstituer les doses absorbées chez des travailleurs exposés dans diverses industries à partir de mesures de l'évolution temporelle du 3-OHBaP dans leur urine. Les résultats de ces modélisations ont ensuite été comparés à ceux de simulations obtenues avec un modèle toxicocinétique à compartiment unique pour vérifier l’utilité comparative d’un modèle simple et complexe. Les deux types de modèle ont ainsi été construits à partir de profils sanguins, tissulaires, urinaires et fécaux du BaP et du 3-OHBaP sur des rats exposés. Ces données ont été obtenues in vivo par voie intraveineuse, cutanée, respiratoire et orale. Ensuite, les modèles ont été extrapolés à l’humain en tenant compte des déterminants biologiques essentiels des différences cinétiques entre le rat et l’humain. Les résultats ont montré que l'inhalation n'était pas la principale voie d'exposition pour plusieurs travailleurs étudiés. Les valeurs de concentrations de BaP dans l’air utilisées afin de simuler les profils d’excrétion urinaire chez les travailleurs étaient différentes des valeurs de concentrations de BaP mesurées dans l’air. Une exposition au BaP par voie cutanée semblait mieux prédire les profils temporels observés. Finalement, les deux types de modélisation se sont avérés utiles pour reproduire et pour interpréter les données disponibles chez des travailleurs. / Many workers are exposed to polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Benzo(a) pyrene (BaP) is part of this group of pollutants. This substance has been classified as a known carcinogen in humans. To assess exposure to carcinogenic PAHs, several researchers have proposed using the measurement of 3-hydroxybenzo(a)pyrene (3-OHBaP) in the urine of exposed workers. In this project, two modeling approaches were developed and applied to enable a better understanding of the toxicokinetics of BaP and its biomarker of current interest, 3-OHBaP, to help interpret the results of biological monitoring. A multi-compartment toxicokinetic model was developed based on the data previously obtained in rats by our group of research. According to the model, BaP injected intravenously is rapidly distributed from blood to tissues (t½ ≈ 4 h), with a particular affinity for lungs and lipid components of tissues. Subsequently, BaP is distributed to the liver and the skin. Once in the liver, BaP is promptly metabolized and 3-OHBaP is formed with a half-life of about 3 h. Pulmonary biotransformation of BaP was also taken into account, but its contribution to the overall kinetics of BaP was considered negligible. Once formed, 3-OHBaP is distributed to various organs almost as fast as the parent compound (t½ ≈ 2 h). An accumulation of 3-OHBaP profile is present in the kidneys because of the difference between the uptake rate (t½ = 28 min) and the ouput rate (t½ = 4.5 h). Total clearance of 3-OHBaP from the blood stream is primarily governed by the rate of transfer of the bile to the gastrointestinal tract (t ½ ≈ 4 h). The multi-compartment toxicokinetic model was able to simulate an independent set of published 3-OHBaP urinary profiles. This toxicokinetic compartmental model has proved useful for the determination of the main biological features of the kinetics of BaP and 3-OHBaP. Thereafter, a physiological pharmacokinetic model (PBPK) reproducing the fate of BaP and 3-OHBaP rats was built. Organs (or tissues) represented as compartments were selected based on experimental data obtained in vivo in rats. Partition coefficients, coefficients of permeability, biotransformation rates, excretion parameters, and absorption fraction for different exposure routes were obtained directly from the profiles of BaP and 3-OHBaP in blood, various tissues and excreta. The values of these parameters were calculated by Monte Carlo procedures. Sensitivity analyses were then performed to ensure the stability of the model and to determine the most sensitive parameters. This modeling has identified the following features: 1) a high sensitivity of hepatic metabolism and elimination rates of BaP and 3-OHBaP; 2) a large distribution of BaP in the lungs compared to other tissues; 3) a considerable distribution of BaP in adipose tissues and liver; 4) a significant distribution of 3-OHBaP in the kidneys; 5) a diffusion-limited transfer of BaP in the lungs, 6) a diffusion-limited transfer of 3-OHBaP in lungs, adipose tissues and kidneys; and 7) a significant entero-hepatic recycling of 3-OHBaP. Following a series of analysis of goodness of fit, the probabilites that the model simulations reproduced the experimental data due to pure chance were always below 10%, for the four routes of exposure: intravenous, oral, dermal and respiratory. Subsequently, we have extrapolated the kinetic models from rats to humans in order reproduce the temporal evolution of 3-OHBaP biomarker of exposure in the urine of workers occupationally expose. Results of these models were then compared to simulations obtained with a single compartment toxicokinetic model to verify the comparative usefulness of simple and complex model. Both types of models have been constructed from blood, tissue, urinary and faecal profiles of BaP and 3-OHBaP in rats. These data were obtained in vivo by intravenous, subcutaneous, oral and respiratory exposure. The models were extrapolated to humans taking into account the essential biological determinants of kinetic differences between rats and humans. Results showed that inhalation was not the primary route of exposure for many workers studied. The values of air concentrations of BaP used to simulate the urinary excretion profiles were different from those measured in the air. Dermal exposure to BaP seemed to better predict the temporal patterns observed. Finally, the two types of modeling have been proved useful to reproduce and to interpret experimental data obtained in workers.

Le charbon est l’une des ressources fossiles les plus économiques pour la production d’énergie. Cependant, il présente des inconvénients liés à l’impact environnemental lors de sa combustion qui produit CO2, principal gaz à effet de serre, ainsi que d’autres gaz et particules polluants et nocifs pour la santé. Afin de lutter contre ces effets, plusieurs procédés sont envisagés dont l’oxycombustion (possibilité de séquestrer CO2 en sortie du système de combustion) et la co-combustion charbon/biomasse sachant que le bilan carbone est neutre pour la biomasse. Pour caractériser ces procédés, un dispositif expérimental a été développé. Il s’agit d’un four à chute qui permet de reproduire en laboratoire les conditions expérimentales prévalant dans les chaudières industrielles dont une vitesse de chauffe des particules de l’ordre de 104 K s-1. Ce dispositif a permis d’étudier la réaction de dévolatilisation de différents solides pulvérisés (charbons, biomasse) à différentes températures (de 600 à 1400 °C). Pour comparer les procédés de combustion et d’oxycombustion, la dévolatilisation sous N2 (étape préliminaire à la combustion sous air) et sous CO2 (étape préliminaire à l’oxycombustion) a été étudiée pour différents charbons à différentes températures. Les résultats obtenus montrent que l’influence de l’atmosphère gazeuse sur la dévolatilisation du charbon n’est significative que pour des températures supérieures à 1200 °C. L’influence des différentes conditions opératoires sur les émissions de particules (PM2.5) issues de la combustion du charbon et de la biomasse a été évaluée et des corrélations sont mises en évidence entre l’intensité d’émission des particules et la nature du combustible, la température et l’atmosphère gazeuse. Une étude cinétique de la pyrolyse a été effectuée et les paramètres cinétiques correspondants déterminés par modélisation à partir de plusieurs schémas cinétiques réactionnels. / Coal is the most economically attractive fossil fuel and the main resource used for electricity production. However, the main issue with coal combustion is the greenhouse gas as well as other gases and particulates matter leading to environmental and human concerns. In order to reduce the environmental impact of coal utilization, researches are conducted to improve the combustion process and to use other carbon-based fuels. The first approach includes the oxy-fuel combustion that can be coupled with Carbon Capture and Storage process (CCS). The second approach promotes the partial substitution of coal by carbon-neutral fuels, such as biomasses, which are promising fuels.For the evaluation of the application of these technologies, an experimental device was developed. This device is a drop tube furnace (DTF) in which high particle heating rate (approximately 104–105 K s−1) has to be achieved in order to characterize solid fuels under conditions similar to those taking place in power plant furnaces. DTF allowed to investigate pyrolysis reaction involving coal and/or biomass particles at different temperatures (600-1400 °C). The comparison between the oxy-combustion and the conventional air combustion process starts with the investigation of the pyrolysis step. The impact of N2 (for conventional air combustion) and CO2 (for oxy-fuel combustion) atmospheres during pyrolysis of different coals at different temperatures was investigated. Results showed that the coal devolatilization is influenced by the gas under which the fuel devolatilization is carried out (N2 or CO2) only at high temperatures (>1200 °C). The influence of different operating conditions on PM2.5 emission were experimented for coals or biomass, including combustion atmosphere (air or oxy-fuel conditions), particle residence time and temperature. A kinetic study of the pyrolysis was carried out and the corresponding kinetic parameters were determined by modeling from several kinetic reaction schemes.

L'objectif de ce travail était d'une part d'étudier la dégradation du phénol en milieu aqueux par un plasma GlidArc d'air humide et d'autre part d'étudier la conversion de l'acétaldéhyde dans des gaz atmosphériques par un plasma DBD généré par une haute tension impulsionnelle. Les résultats de l'étude paramétrique de la dégradation du phénol ont montré une augmentation de l'efficacité en fonction de la concentration initiale et du débit d'air humide. L'augmentation du gap entre les électrodes à occasionné celle de la concentration des ions nitrates. La majeur parie des nombreux produits de réactions est constituée d'acides carboxyliques mais aussi d'hydroquinone, de para-nitrophénol et de para-nitrosophénol. Cette identification a permis de dresser un schéma réactionnel de la dégradation du phénol. La conversion de l'acétaldéhyde a été effectuée dans des conditions de température allant de l'ambiante jusqu'à 300°C et dans deux types de mélanges: CH3CHO/N2 et CH3CHO/N2/O2 (jusqu'à 10% O2). Les résultats ont montré que le coût énergétique baisse en présence d'oxygène dans le mélange et également lorsque la température augmente. Les principaux sous-produits identifiés dans CH3CHO/N2 sont CO, H2, CH4, HCN, C2H6, CH3CN tandis que dans les mélanges oxygénés, CO2 et CO, CH2O, CH3OH sont les sous-produits les plus importants. L'étude cinétique menée à la suite de cette analyse grâce à un modèle 0D simplifié a permis de mettre en évidence le rôle primordial de la dissociation par quenching des états métastables d'azote et de l'oxydation notamment par O et OH dans la conversion de l'acétaldéhyde. La modélisation a aussi permis de comprendre les processus de formation des sous-produits majoritaires. Des catalyseurs à base de MnO2 ont été placés en aval de la zone de décharge pour décomposer l'ozone qui se forme abondamment dans les mélanges oxygénés surtout à basse température. L'oxygène atomique produit lors de cette décomposition oxyde l'acétaldéhyde résiduel et ses sous-produits. Le coût énergétique a ainsi été diminué et les concentrations des sous-produits comme CH2O et CH3OH ont été réduites. / This work aimed to study the degradation of aqueous phenol by humid air GlidArc plasma and to study the removal of acetaldehyde in atmospheric gas by pulsed DBD plasma. The parametric study of phenol degradation showed an increase in efficiency as a function of the initial concentration and humid air flow. The increase of the inter-electrodes gap has increased nitrate ions concentration. The numerous reaction products formed consist mostly of carboxylic acids. Other byproducts identified are hydroquinone, para-nitrophenol and para-nitrosophenol. By-products identification enabled drawing a reaction scheme of phenol degradation. The acetaldehyde removal has been achieved in temperature conditions ranging from ambient to 300°C and in two types of mixtures: CH3CHO/N2 and CH3CHO/N2/O2 (up to 10 % O2). The results showed that the energy cost decreases in the presence of oxygen in the mixture as well as when the temperature increases. In CH3CHO/N2, the main by-products are CO, H2, CH4, HCN, C2H6, CH3CN whereas in oxygenated mixtures, CO2 and CO, CH2O, CH3OH are the most important by-products. The kinetic study following this analysis, by using a simplified 0D model has highlighted the key role of the quenching of nitrogen metastables states and that of the oxidation of acetaldehyde, caused in particular by O and OH. The modeling also helped understanding the formation processes of major by-products. A MnO2 based catalyst was placed downstream of plasma zone in order to decompose ozone that is abundantly formed in oxygenated mixtures especially at low temperature. The atomic oxygen produced during this decomposition is used to oxidize the residual acetaldehyde and its by-products. The energy cost was thus decreased and the concentrations of certain by-products such as CH2O and CH3OH have been reduced as well.

La pyrolyse rapide est une des voies de conversion thermochimique qui permet la transformation de biomasse lignocellulosique en bio-huiles. Ces bio-huiles, différentes des coupes lourdes du pétrole ne peuvent pas être directement mélangés dans les procédés de valorisation. En effet, en raison de leur forte teneur en oxygène, les bio-huiles nécessitent une étape de pré-raffinage, telle que l’hydrotraitement, pour éliminer ces composants.L’objectif de ce travail est de comprendre la structure, la composition et la réactivité de la bio-huile grâce à la modélisation de données expérimentales. Pour comprendre leur structure et leur composition, des techniques de reconstruction moléculaire basées sur des données analytiques, ont été appliquées, générant un mélange synthétique, dont les propriétés correspondent à celles du mélange. Pour comprendre leur réactivité, l'hydrotraitement de molécules modèles a été étudié: gaïacol et furfural. Pour cela, un modèle déterministe et stochastique a été créé pour chacun d’eux. L’approche déterministe visait à récupérer une gamme de paramètres cinétiques, qui ont ensuite été affinés par l’approche stochastique créant un nouveau modèle. Cette approche a permis de générer un réseau de réactions en définissant et en utilisant un nombre limité de familles et règles des réactions. Finalement, le mélange synthétique a été utilisé dans la simulation stochastique de l’hydrotraitement de la bio-huile, étayée par la cinétique des molécules modèles.En conclusion, ce travail a permis de recréer la fraction légère de la bio-huile et de simuler leur l'hydrotraitement, via les paramètres cinétiques des composés modèles, qui prédisent de manière raisonnable les effluents de l'hydrotraitement de celles-ci, mais sont inadéquat pour le bio-huile / Fast pyrolysis is one of the thermochemical conversion routes that enable the transformation of solid lignocellulosic biomass into liquid bio-oils. These complex mixtures are different from oil fractions and cannot be directly integrated into existing petroleum upgrading facilities. Indeed, because of their high levels of oxygen compounds, bio-oils require a dedicated pre-refining step, such as hydrotreating, to remove these components.The aim of the present work is to understand the structure, composition and reactivity of bio-oil compounds through modeling of experimental data. To understand the structure and composition, molecular reconstruction techniques, based on analytical data, were applied generating a synthetic mixture, whose properties are consistent with the mixture properties. To understand the reactivity, the hydrotreating of two model molecules was studied: Guaiacol and Furfural. A deterministic and stochastic model were created for each compounds. The deterministic approach intended to retrieve a range of kinetic parameters, later on refined by the stochastic simulation approach into a new model. This approach generates an reaction network by defining and using a limited number of reaction classes and reaction rules. To consolidate the work, the synthetic mixture was used in the stochastic simulation of the hydrotreating of bio-oils, supported by the kinetics of the model compounds.In sum, the present work was able to recreate the light fraction of bio-oil and simulate the hydrotreating of bio-oils, via the kinetic parameters of model compounds, which can reasonably predict the effluents of the hydrotreating of these, but are unsuitable for bio-oil.Fast pyrolysis is one of the thermochemical conversion routes that enable the transformation of solid lignocellulosic biomass into liquid bio-oils. These complex mixtures are different from oil fractions and cannot be directly integrated into existing petroleum upgrading facilities. Indeed, because of their high levels of oxygen compounds, bio-oils require a dedicated pre-refining step, such as hydrotreating, to remove these components.The aim of the present work is to understand the structure, composition and reactivity of bio-oil compounds through modeling of experimental data. To understand the structure and composition, molecular reconstruction techniques, based on analytical data, were applied generating a synthetic mixture, whose properties are consistent with the mixture properties. To understand the reactivity, the hydrotreating of two model molecules was studied: Guaiacol and Furfural. A deterministic and stochastic model were created for each compounds. The deterministic approach intended to retrieve a range of kinetic parameters, later on refined by the stochastic simulation approach into a new model. This approach generates an reaction network by defining and using a limited number of reaction classes and reaction rules. To consolidate the work, the synthetic mixture was used in the stochastic simulation of the hydrotreating of bio-oils, supported by the kinetics of the model compounds.In sum, the present work was able to recreate the light fraction of bio-oil and simulate the hydrotreating of bio-oils, via the kinetic parameters of model compounds, which can reasonably predict the effluents of the hydrotreating of these, but are unsuitable for bio-oil